Introducción a la fotónica cuántica

Introducción a la fotónica cuántica

Introducción a la fotónica cuántica

Introducción a la fotónica cuántica

Introducción a la fotónica cuántica

Uno de los temas que despierta mayor interés en los últimos años en el campo de la óptica es la fotónica cuántica. En este post, abordaremos esta disciplina y explicaremos algunos de sus conceptos básicos de forma sencilla.

 

La óptica cuántica es el estudio de los fotones, que son el cuanto (cantidad mínima de una magnitud) del campo electromagnético, incluida la radiación electromagnética y la luz. Los fotones son un tipo de bosones y viajan a la velocidad de la luz en el vacío (aprox. 3·109 m/s). La óptica cuántica cubre el estudio de la interacción de fotones con átomos y moléculas, así como las propiedades de los fotones.

 

La fotónica cuántica es la aplicación práctica de la óptica cuántica (la base teórica) para el desarrollo de nuevas tecnologías. La fotónica cuántica incluye la generación (emisores de fotones individuales), manipulación y detección (conteo de fotones) de luz y materia a nivel cuántico.

 

En fotónica cuántica es importante el concepto de ‘qubit’ o bit cuántico, que es la unidad básica de la información cuántica. Un bit clásico sólo puede ser ‘0’ o ‘1’ en un momento específico, mientras que el estado general de un qubit es una superposición de ambos estados, lo que puede entenderse de manera simple como ser ‘0’ y ‘1’ al mismo tiempo. Sin embargo, una vez que se mide un qubit, solo hay dos resultados posibles, ‘0’ o ‘1’.

 

Bloch sphere representation of a qubit. Quantum photonics
Figure 1. Representación de un qubit mediante la esfera de Bloch. CC BY 3.0 license. Copyright: Smite-Meister.

 

Otro fenómeno importante presente en los qubits es el entrelazamiento cuántico, que describe las correlaciones que aparecen cuando los sistemas cuánticos (como fotones, electrones) interactúan y luego se separan. Esto implica que el estado cuántico de una partícula se puede predecir a partir del estado de otra partícula con la cual la primera partícula se encuentra ‘entrelazada’, incluso si ambas partículas están separadas por grandes distancias.

 

Estas propiedades y fenómenos son importantes en las aplicaciones de la fotónica cuántica, entre las que incluyen las siguientes:

 

  • Metrología cuántica: su finalidad es la estimación de parámetros físicos desconocidos mediante el empleo de recursos cuánticos, mejorando los resultados obtenidos con la física clásica. Entre los diferentes sistemas físicos que se pueden utilizar en metrología cuántica, los fotones tienen propiedades interesantes como alta movilidad y baja interacción con el medio.

 

  • Computación cuántica: se basa en los qubits explicados anteriormente, que son empleados por los ordenadores cuánticos para realizar determinadas operaciones a mayor velocidad que los ordenadores clásicos, aunque todavía no son capaces de superarlos en aplicaciones prácticas. Uno de los retos actuales en este campo es construir un ordenador cuántico a gran escala.

 

IBM Q System One
Figure 2. IBM Q System One (2019), primer ordenado cuántico comercial basado en circuitos. CC BY 2.0 license. Copyright IBM Research.
  • Criptografía cuántica: consiste en aplicar propiedades de la mecánica cuántica a tareas criptográficas. Uno de los ejemplos más conocidos de criptografía cuántica es la distribución cuántica de claves (QKD por sus siglas en inglés), donde la comunicación cuántica se utiliza para establecer una clave compartida entre dos partes sin la posibilidad de que un tercero la intercepte sin ser detectado. En caso de que esto sucediera, el protocolo de distribución cuántica de claves detecta la intrusión por su propia naturaleza.

 

Finalmente, también hay que destacar la creciente importancia de la fotónica cuántica integrada. El desarrollo de la electrónica experimentó un gran salto con la introducción del circuito integrado. Análogamente, los chips fotónicos cuánticos integrados han permitido generar, procesar y detectar estados cuánticos en footprints de escala milimétrica. Estos circuitos son cruciales para el desarrollo de las comunicaciones 5G y 6G.

 

En conclusión, hemos llevado a cabo una breve descripción de la fotónica cuántica, incluyendo su definición, algunos conceptos básicos (qubit, superposición, entrelazamiento) y algunas de sus aplicaciones (metrología cuántica, computación cuántica y criptografía cuántica) con el fin de proporcionar una primera aproximación a este tema.

 

Bibliography

 

[1] Quantum Cryptography – RP Photonics

 

[2] Quantum Optics – RP Photonics

 

[3] Quantum computing 101: what’s superposition, entanglement and a qubit?, John Davidson

 

[4] Quantum computing – Wikipedia

 

[5] Polino, E.; Valeri, M.; Spagnolo, N.; Sciarrino, F. Photonic Quantum Metrology. AVS Quantum Science 2020, 2, doi:10.48550/arxiv.2003.05821.

 

[6] Wang, J.; Sciarrino, F.; Laing, A.; Thompson, M.G. Integrated Photonic Quantum Technologies. Nature Photonics 2019 14:5 2019, 14, 273–284, doi:10.1038/s41566-019-0532-1.

 

[7] Bogaerts, W.; Pérez, D.; Capmany, J.; Miller, D.A.B.; Poon, J.; Englund, D.; Morichetti, F.; Melloni, A. Programmable Photonic Circuits. Nature 2020 586:7828 2020, 586, 207–216, doi:10.1038/s41586-020-2764-0. 

 

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